鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計 — 基本名詞解釋

1.1鋰離子電池管理芯片的應用及發(fā)展

1.1.1鋰離子電池的特點及應用

早在1912年，以金屬鋰作為電極的鋰電池（Li Battery）的研究就開始了，到上世紀七十年代，不可充電的鋰電池才首次應用在商業(yè)領域。上世紀八十年代，研究的重點集中在可充電的鋰離子電池（Li-ion Battery）上，但并沒有成功解決電池的安全性問題。一直到1991年，Sony公司首次實現了鋰離子電池商業(yè)化，被認為是能源技術領域的一個重要的里程牌。

如表1.1所示，和Ni-Cd等其它二次電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度（包括質量比能量和體積比能量）、更高的充放電循環(huán)、更低的放電率和更高的單節(jié)電池工作電壓（3.6V）。顯然，鋰離子電池的高工作電壓將有利于減小移動裝備的尺寸，高能量密度將有利于電池的輕量化，低放電率也能保證存儲期間的正常使用。



這十幾年間，鋰離子電池的應用獲得了巨大發(fā)展，現已成為通訊類電子產品的主要能源之一，被廣泛應用在筆記本電腦、GSM/CDMA、數碼相機、攝像機及PDA等高端便攜式消費類電子產品中[2]。如果將1997年以前適應筆記本電腦市場、降低電池成本、提高容量稱為鋰離子電池第一個黃金時期，那么在手機、攝像機等便攜電子產品的普及將使鋰離子電池產業(yè)進入第二個黃金時期。比如，2004年94%的手機電池是鋰離子電池。隨著技術的發(fā)展，對鋰離子電池的需求將日益旺盛，2005年預計達12億只[3]。從鋰離子電池的生產和銷售分布來看，在2000年以前，日本是鋰離子電池的最大生產和銷售國，市場占有率達到95%以上。但近年來隨著中國和韓國的迅速崛起，日本一支獨秀的格局已經被逐漸打破，預計2005年日本鋰離子電池的全球市場占有率將跌至50%以下。

1.1.2鋰離子電池管理芯片的重要性

在鋰離子電池的研究開發(fā)中，提高使用安全性問題一直是研究的重點。由于質量比能量高，而且電解液大多為有機易燃物等，當電池熱量產生速度大于散熱速度時，就有可能出現安全性問題。有研究指出，鋰離子電池在濫用時，有可能達到700°C以上的高溫，從而導致電池出現冒煙、著火乃至爆炸；在過放電到低于1V時，正極表面將析出銅，造成電池內部短路；在過流情況下，電池內部溫度也極易升高，使電池性能惡化乃至損壞。圖1.1.1給出了在過充電和過放電情況下，鋰離子電池內部的化學反應及性能的變化，式中M代表Co、Al、Ni等金屬離子。



要提高鋰離子電池使用的安全性，除了進行深入的機理研究，選擇合適的電極材料及優(yōu)化整體結構之外，還必須通過電池外圍的集成電路（IC）對電池進行有效的管理。有報道稱近年來，電池管理（Battery Management）芯片，無論是銷售額還是銷售量在功耗管理（Power Management）芯片中有望增長得最快。鋰離子電池管理目標包含對電池電壓監(jiān)測、充放電電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測、數據計算以及存儲。管理芯片中，包括保護電路、燃料檢測電路以及能夠實行電池數據傳輸的系統被稱為智能電池系統（Smart Battery System， SBS）。SBS電池組結構如圖1.1.2所示，它由溫度傳感器、能檢測雙向電流的電流檢測器、ADC、EEPROM存儲器、時鐘、狀態(tài)/控制電路、與主系統單線接口及地址、鋰離子電池保護電路等組成。其中由ADC轉換的數字量存儲在相應的存儲器內，通過單線接口與主系統連接，對內部存儲器進行讀/寫的訪問及控制。SBS除了能對電池進行有效地保護之外，還能輸出電池剩余能量信號（可用LCD顯示），這將是鋰離子電池管理芯片發(fā)展的主要目標。目前，SBS應用的協議發(fā)展到了SBdata1.1（數據協議）和SMbus2.0（總線協議），而在IBM和索尼等筆記本電腦中，有幾個型號已采用了基于電池保護電路的SBS.

在鋰離子電池管理芯片中，保護電路由于能夠實現對電池電壓、充放電電流監(jiān)測，它既能單獨內置在鋰離子電池中，也能在SBS中充當二次保護電路用，更可貴的是，它能實現對Ni-Cd、Ni-H電池的同等保護，所以在電池管理芯片中占了很大的份額。

1.1.3電池管理芯片的發(fā)展現狀

目前，國外的Unitrode、Texas、Dallas等公司紛紛開展了對鋰離子電池管理芯片的研究和開發(fā)。和電池產量在全球市場占有率不斷下滑不同的是，日本的鋰離子電池管理芯片，尤其是保護電路的設計開發(fā)，始終在全球占有主導地位。最著名的產品是精工的S82系列、理光的R54系列和MITSUMI的MM3061系列等。其中，S82系列產品因為功能齊全、精度高和功耗低，被認為是鋰離子電池管理芯片設計的領跑者之一。而在中國，除了臺灣有個別單位已開發(fā)出了功能較為簡單的保護芯片外，近年來，雖然也有個別大陸單位開始研究鋰離子電池保護電路，但都處于起步階段，精度低、沒有統一的保護標準。更主要的是，目前國內還沒有具有獨立自主產權的電路出現。

目前，為了在最長的電池使用時間和最輕的重量之間取得平衡，越來越多的便攜式設備如手機、攝像機等都采用單節(jié)鋰離子電池作為主電源。目前單節(jié)鋰離子電池的管理芯片研究，重點在于：

①除了要對電池充電過程進行有效管理外，還更迫切地需要實現對充電及使用過程的全程保護。這要求芯片不僅具有完備的保護功能，而且保護精度如電池電壓、延時時間的檢測和控制精度達到實用要求。

②應該盡可能地降低功耗以延長供電電池的使用壽命。作為封裝后電池的一部分，芯片的驅動始終來自被管理的電池，因此要求芯片要有足夠低的電流消耗。

作為一個數模混合信號電路，可以借鑒已有的一些功耗優(yōu)化方法，但是結合應用特點降低功耗，還要進行更深入的理論探索。

因此，研究以單節(jié)鋰離子保護電路為代表的電池管理芯片的低功耗，從系統功能實現到數?；旌闲盘栯娐返凸牡脑O計，對電池管理芯片的設計乃至SBS的開發(fā)都將有相當的借鑒作用。

1.2數?；旌闲盘栯娐返牡凸脑O計

1.2.1集成電路的低功耗設計動因

在集成電路發(fā)展的早期到上世紀八十年代，功耗問題并不是很突出。在這段時間內，由于電路系統規(guī)模普遍較小和CMOS工藝的興起，低功耗尚未被作為IC設計的重要因素。

在1968年，Intel公司的創(chuàng)始人之一G. Moore就預測，每18到24個月，IC的集成度將提高一倍，這就是著名的Moore定律。而事實上，這四十多年來，IC技術就是基本上遵循著Moore定律取得了巨大的發(fā)展。集成電路經歷了從小規(guī)模集成（SSI）發(fā)展到超大規(guī)模（VLSI）到現在的甚大規(guī)模集成（ULSI），即一個芯片上可以包含一億以上的元件的水平。雖然量子效應和經濟的限制將使IC集成度增長的速度趨緩，但是可以預見的是，隨著新技術的采用IC的集成度持續(xù)發(fā)展的勢頭將不會改變。同時，系統的復雜度也在不斷地提高，即將不同功能的器件和電路都集成到一個芯片上，構成一個系統集成芯片（SOC）。顯然，集成電路復雜度和集成度的提高使得低功耗正成為一個不可或缺的電路設計指標。

首先，過高的功耗將使芯片容易過熱，電路可靠性下降，最終導致失效。有研究表明，溫度每升高10 C，器件的故障率將提高兩倍；另外，不斷增高的功耗將給芯片的封裝和散熱提出了更高的要求，這不僅會增加成本，而且在小型化應用場合中，這種方案往往不被采納。

更重要的是，消費類電子產品的發(fā)展和大量應用推動了對功耗問題的研究。

低功耗的概念是由電子手表等工業(yè)首次提出的，而在小型化、高集成度的消費類電子產品中，為了降低電路成本、提高電路穩(wěn)定性、可靠性，更需要設計低功耗電路，以保證在集成度提高時，單位面積維持同樣甚至更低的功耗。同時，因為在過去的三十年中電池的容量僅僅增加了2～4倍，遠沒有VLSI技術的發(fā)展迅速，所以在電池供電系統中，集成電路的低功耗設計是延長電池使用壽命的最有效手段。此外，便攜式設備趨于使用更少的電池，以減小尺寸和重量，也必然要求電路實現低功耗。和十年前相比，消費類電子產品在電子產業(yè)中的比例已從40%快速增長到55%，因此可以說消費類電子產品是低功耗設計的主要推動力。

1.2.2數模混合信號電路的低功耗研究

在這種技術需求和便攜式電子產品的應用需求的強烈推動下，CMOS集成電路低壓低功耗設計受到了人們的極大重視。目前，人們對集成電路的功耗研究，主要集中在以下兩個方面：

一是低功耗工藝的研究。這主要集中在減小特征尺寸、降低電源電壓和降低閾值電壓方面。減小特征尺寸，有助于將復雜系統集成在同一芯片上，進行有效地功耗管理。但是當特征尺寸縮小到一定程度，熱載流子效應、動態(tài)節(jié)點的軟失效將極大地影響著器件的性能，降低電源電壓成為解決上述問題的較好方案。為了保證低壓邏輯電路的驅動電流不減少和工作頻率不降低，在降低電源電壓的同時也要求降低閾值電壓，但是同比例降低閾值電壓會使漏泄電流指數級增加。采用多閾值電壓器件或是采用可變閾值電壓技術有望減小漏泄電流引起的功耗，而這些技術都比較依賴制造工藝。

二是低功耗設計方法的研究。這是目前低功耗研究中最為活躍的領域。在工藝確定的情況下，它包括低功耗的設計方法及評估方法，但主要是針對數字電路。

在保證系統同樣性能的前提下，在芯片設計的初期，就從各個層次對功耗進行分析優(yōu)化，不僅能夠縮短設計周期，還能夠實現整體功耗最小化目標。從設計的角度，低功耗設計方法可以分成系統級（System Level）、算法/結構（Architecture/Algorithm Level）、寄存器傳輸級（Register Transfer Level， RTL）、邏輯/門級（Logic/Gate Level）、版圖級（Layout Level）這幾個層次。其中，系統及算法作為低功耗技術中的高層次，對系統功耗的影響很大。在這種層次上的功耗分析將能對系統功耗進行預測及優(yōu)化，并能實現幾個數量級的功耗降低，因此必須加以重視。

有效的功耗評估工具和方法是低功耗研究的另一個重要內容。如何在設計的不同層次對電路功耗進行快速準確地估計，也是集成電路設計中的一個熱點和難點問題。通常，把功耗評估分為基于隨機統計和模擬的方法這兩類。

基于隨機統計的功耗估算方法，其基本思想為：先根據模塊的版圖或邏輯描述，抽取電路或邏輯模型，然后用隨機產生的輸入流模擬，計算平均功耗。

它的優(yōu)點是速度較快，而且不需要電路內部信息，但功耗估算準確程度不及基于模擬的方法，因此適用于通常設計的早期階段。

基于模擬的功耗估算方法是用一組典型的輸入矢量進行功耗模擬，以獲得平均功耗、最大功耗及最小功耗值?；谀M的方法精度高，但所占存儲空間和模擬時間較大，因此可以用一些啟發(fā)信息來加速收斂，如蒙特卡羅（Monte Carlo）

模擬方法和遺傳算法。其中，蒙特卡羅方法是在電路輸入端隨機產生輸入信號，再用模擬方法計算在某一時間間隔內的功耗。如果將現有的電路級、門級等模擬方法用于蒙特卡羅程序的內環(huán)，將能夠實現速度和計算精度的折衷。典型的基于模擬方法的功耗分析軟件有POWERMILL、Entice-Aspen等。

需要指出的是，目前的低功耗研究大多是對模擬和數字電路進行分開討論。這和模擬電路自身的特點密切相關。模擬集成電路和處理0或1信號的數字電路不同，它主要處理幅度、時間、頻率連續(xù)變化的信號，并且具有以下特點：

①電路形式的多樣性。包括數據轉換器（如A/D轉換器、D/A轉換器等）、運算放大器、線性放大器（低噪聲放大器、寬帶放大器等）、非線性放大器（模擬乘法器、對數/反對數放大器等）、多路模擬開關、電源電壓調節(jié)器（線性調壓器、開關電源控制器等）、智能功率IC以及各類專用IC.

②性能指標的多樣性。包括精度、輸入范圍、失真、噪聲、電源電壓抑制比（PSRR）、增益、頻率帶寬、輸入/出阻抗等。

③電路結構的多樣性。僅以一個運放為例，就有兩級、Cascode、折疊式（Folded）Cascode、A/AB類放大器、單端/差分放大器等眾多結構。

④器件的多樣性。常見的器件就有晶體管、二極管、電阻、電容、甚至電感等。

模擬電路處理信號的連續(xù)性、電路結構形式的多樣性、性能指標的精確性，都使得電路及版圖的設計必須圍繞具體電路展開，設計的自動化程度遠遠低于數字電路，而難度又遠高于后者。

雖然在數字時代，數字電路的設計方法、工藝條件都領先于模擬電路，數字IC的市場占有率也要高于模擬IC，但模擬電路畢竟是數字電路和現實世界的橋梁，所以它仍然有足夠的發(fā)展空間。另外，在實際的較高復雜度的系統中，總是把存儲電路、邏輯控制電路和模擬電路一起集成在同一芯片中，即所謂的數?；旌想娐?/em>中的各部分的低功耗設計及協同考慮方法；鋰離子電池管理芯片的保護功能設計及低功耗實現；電路設計和仿真，版圖實現以及包括功耗在內的后仿真驗證。

根據內容需要，本文研究的重點集中在以下幾個方面：

①數?；旌想娐分械牡凸姆椒ǚ治觯貉芯康凸牡奈墨I相當多，但大多數是將數字電路和模擬電路分開來考慮的。作為一個實際的數?；旌舷到y，低功耗設計不能脫離系統應用的場合，而且又要有一定的可重用性，這有一定的難度，也有相當的挑戰(zhàn)性。

②鋰離子電池管理芯片的保護功能設計：針對鋰離子電池應用特點，設計出能對電池實施實時、有效保護的系統。

③面向鋰離子電池管理芯片低功耗實現：從應用場合出發(fā)，研究基于負載驅動的數模混合單芯片系統的功耗優(yōu)化方法。

④版圖實現與結果驗證：包括版圖設計及后模擬驗證。其中，結果驗證包含兩方面：一是功能的準確性驗證，二是包含功耗在內的電學參數的精確性驗證，三是系統的可實現性驗證。

1.4本文的研究方案及意義

根據研究現狀和設計要求，本文擬采取的研究方案為：

①考慮到混合信號單芯片系統的要求，分別研究數字和模擬電路中的低功耗方法：其中亞閾值電路可以采用標準數字CMOS工藝，比較適合用在低速低電流消耗場合，所以將對亞閾值電路作較深入的理論研究和設計分析，包括失配、噪聲對功耗優(yōu)化的實際限制，設計時電路控制與判斷，以及對具體的亞閾值電路結構討論。

②鋰離子電池管理芯片的保護功能設計：包括實時的充放電壓檢測和控制，即能實現過放電保護、過充電保護、零伏充電電壓抑制；包括實時的雙向充放電電流檢測，即能實現過流的二級保護、短路保護、以及非正常充電電流保護；另外，當外置熱敏電阻時，能實現溫度的檢測和保護。

③數?；旌想娐返呢撦d驅動型低功耗設計方法：分功耗建模、功耗管理策略以及實現三個部分討論。建立適用于管理芯片的功耗模型，對功耗管理策略分析比較后，采用實現簡單控制容易的方法，并加以改進，提出基于負載的功耗優(yōu)化方案。

④低功耗混合電路的版圖設計和性能功耗驗證：功能和電學參數可以通過電路級仿真軟件（如HSPICE、VERILOG、POWERMILL等）來直接驗證，并且和相關文獻的指標來進行對比；運用CADENCE，完成系統版圖；通過從版圖提取參數，并通過后模擬來驗證系統的可實現性。

由上看出，本文的研究意義至少有以下幾方面：

①數?；旌想娐分械母鞑糠值牡凸睦碚摷皡f同考慮方法，是系統設計和功耗優(yōu)化的理論基礎。

②低功耗、高精度、小型化是當今電池管理芯片的發(fā)展趨勢，更是滿足應用的必然要求，研究電池管理芯片的低功耗有重要的實用價值。

③采用面向單芯片的混合電路的系統級動態(tài)功耗管理技術，不僅拓展了動態(tài)功耗管理理論在純數字系統及實時嵌入式系統之外的應用，還能結合應用特點，克服原有的不足，發(fā)展新的內容。

④本文的研究內容和結果對于其它電池管理類芯片有相當的借鑒作用。

1.5文章結構安排

第一章為緒論，主要分析論文的研究背景與研究現狀，提出本文的研究內容與重點。

第二章討論低功耗設計方法。首先，根據數字電路的功耗模型，自頂向下討論不同的設計層次可以采用的低功耗方法；其次，討論并推導模擬電路的低功耗限制條件，包括基本限制條件，以及失配、噪聲對功耗優(yōu)化的實際限制條件，總結比較常用的低功耗電路；最后，探討現有的混合信號電路中，低功耗設計方法及重點，并提出可行的低功耗拓樸結構，為下一章作理論準備。

第三章建立鋰離子電池管理芯片的保護系統架構并進行功耗優(yōu)化設計。首先，提出芯片保護功能要求，建立系統框圖；然后討論電池管理芯片的低功耗設計，在對系統功耗狀態(tài)建模的基礎上，研究確定基于負載的系統級動態(tài)功耗管理技術，優(yōu)化電池管理芯片功耗：并在低功耗電路設計中，對亞閾值模擬電路作具有指導意義的討論。

第四章給出具體的電路實現。分為數字電路和模擬電路設計。數字電路中，在系統有限狀態(tài)機的基礎上，對邏輯部分進行功能設計；根據前章給出的功耗狀態(tài)機的實現流程，完成功耗管理邏輯設計。模擬電路中，重點討論基于亞閾值電路的基準源模塊，具有代表性的過充電比較器，以及其它重要的功能電路設計。

第五章給出芯片版圖，通過將后仿真的結果與參考文獻比較，驗證功能實現和功耗優(yōu)化的效果。

第六章進行總結并提出展望。